荆丘油田套管变形机理及防治方法

从华北荆丘油田套管变形井段的地层岩性、固井水泥和套管钢材的力学性能测定入手,验证了地应力引起的岩石塑性流动是导致套管变形的主要因素,提出了套管变形的计算力学模型,用弹塑性有限元软件进行了仿真计算,并以此为基础,提出了防治套管变形的几种方法。对这类油田新井套管柱设计和老井修复,具有重要的理论指导意义。     

蠕变地层与油井套管相互作用力学模型

在油井生产过程中,地层的蠕变使套管承受的外部挤压载荷逐渐接近于上覆岩层压力。当套管的外部挤压载荷大于套管的抗挤强度时,套管将产生屈服、变形甚至破裂。目前采用的蠕变地层与套管相互作用的力学模型存在理论上的错误,无法正确计算套管的外部挤压载荷。根据实际建井过程和力学原理,建立了正确的蠕变地层与套管相互作用的力学模型。如果地层不具有蠕变性,地应力不会作用在套管上;如果地层具有蠕变性,且持续时间比较长时,套管所受的外挤载荷为地层的上覆岩层压力。现场检测到的套管非轴对称形变主要是由套管壁厚不均匀、材质不均匀、套管受到刮伤及套管一侧黏土膨胀等因素所致,而不是地层的非均匀地应力造成的。     

水平井套管弯曲力学模型与计算分析

给出了对水平并段套管柱在具有初始曲率时进行弯曲分析的力学模型，介绍了模型中相关载荷参数的确定方法，运用这种方法可精确和方便地计算套管柱的最大挠度和最大弯曲正应力。指出有的文献未考虑端面弯矩的存在，或虽论及端面弯矩的影响却未给出确定端面弯矩的方法。据此，作者运用等截面杆的转角位移方程和静力平衡、变形协调条件确定了端面弯矩，从而正确地分析套管柱的弯曲。     

深部倾斜盐岩地层套管应力及变形研究

针对川东北盐岩地层套管挤毁变形问题,建立了深部倾斜盐岩地层-水泥环-套管组合体三维有限差分模型,研究了非均匀地应力作用下地层倾角、井斜角、盐岩地层厚度及盐岩力学参数对套管等效应力和变形量的影响。研究结果表明:蠕变1 a时,套管内壁最大等效应力和套管内径最大变形量随着地层倾角和井斜角的增大而同时增大,且地层倾角的影响程度明显大于井斜角,随着盐岩地层岩石力学性质的增强而同时降低,即层间岩石力学性质差异越小,套管安全系数越高;当地层倾角和井斜角较大时,套管的最大变形量随着盐岩地层厚度的增大呈线性增加;利用建立的三维数值模型可以对一定地质条件下的深部倾斜盐岩地层套管的变形趋势进行重现和预测。研究结果对于预防和解决川东北油气田盐岩地层套管损坏问题、优化盐岩地层钻井设计及套管强度设计具有较高的理论参考价值。     

基于震源机制的套管变形量控制方法研究

基于震源机制基本方程,研究了水力压裂过程中断层滑移量和矩震级的关系;进一步建立了断层滑移条件下的套管-水泥环-地层组合体数值模型,分析了断层滑移条件下的套管变形规律,从而明确套管变形量和矩震级的关系。结论认为：压裂过程中矩震级小于2级时,地层滑移量基本为0,矩震级大于2级时,地层滑移量随着矩震级的增加呈指数增加;套管变形量的主要影响因素为地层滑移距离,增加套管钢级、壁厚不能完全防止套管变形;矩震级小于3级时,套管变形量基本为0,矩震级大于3级时,套管变形量随着矩震级的增加呈指数增加,建议多级压裂过程中监测到矩震级接近3级时,降低施工强度或者停止施工,防止地层滑移导致套管变形。     

套管变形的计算机仿真

利用弹塑性有限元法编写的套管变形计算机仿真软件,可以方便地模拟套管外壁受任意均匀或非均匀载荷的作用,并观察其弹塑性变形过程,这是研究套管变形的一种新方法和新手段。本文首次提出套管承受非均匀载荷抗挤强度的新概念及其表达式,因此,可以与均匀载荷作用下的套管比较其抗挤强度的降低程度。通过套管变形计算机仿真模拟,提出了一种抵抗非均匀载荷作用的有效方案,即使用双层组合套管。目前正在华北油田实施。     

复合盐层套管外挤压力动态变化规律研究

盐岩地层套管外挤压力通常按上覆岩层压力进行设计。现场资料表明，以此为依据所设计的套管有时仍然不能满足盐层套管抗外挤强度的要求。利用研究区块复合盐岩地层上、下泥岩的岩石力学参数及地应力值，运用数值模拟方法，反演得到盐层地应力，在试验获得盐岩蠕变特性参数基础上，对套管支护的盐层井壁围岩进行蠕变分析，得到盐岩地层套管外挤压力动态变化规律。在构造应力的作用下，盐层的地应力场是非均匀的，盐岩蠕变导致套管受到的外挤压力是动态变化的。对于复合盐岩地层的套管柱设计，应该充分考虑构造应力场的非均匀性、盐岩的蠕变特性以及套管的设计寿命。     

蠕变地层中套管的附加载荷

研究了地层的蠕变特性对油水井套管载荷的影响。首先将套管看作纯弹性,套管的蠕变载荷从零开始,随时间增长而增大,在经过充分时间后,它趋于一个稳定的即最大的载荷分布,这个载荷分布在数值上不超过原场最大水平主应力值的2倍。对蠕变地层中套管的选用有重要的参考价值。     

套管错断的原因及解决办法

套管错断由岩石断裂引起。岩石断裂则起因于典型的石油开采活动诱发的应力及压力变化。     

蠕变地层中套管外载的有限元数值分析法

地应力与井眼稳定、井筒压力系统控制、井眼井斜及方位的控制和井身 结构的确定紧密相关。因此地应力场的研究是钻井工种设计的基础工作之一。目前国内外对地应力作用下的套管外载的研究非常重视,相继开展了室内模拟试验和有关理论的研究。文中主要用有限元数值分析法研究蠕变地层中地应力对套管外载的影响。     

储层损害的岩石力学——化学耦合作用研究进展

以往研究储层的应力敏感性损害多是从纯力学角度出发，针对油气藏和工程作业的实际情况，提出重视力学-化学耦合作用对储层渗透率的影响。总结了压溶作用机理，明确了压溶作用最终导致裂缝闭合、岩石渗透率下降并具有不可逆性。压溶作用机理的基本模式为水薄膜模式、岛状沟道构造模式、格莱茨模式。压溶作用的主要影响因素包括温度、压力、矿物溶解性、流体化学性质、流体饱和度。水化学作用对恒定围压下裂缝渗透率变化起着主导作用，必须重视水化学效应对力学效应的影响。在钻井完井过程中应尽量保持压差恒定，防止应力敏感损害储层，并尽量避免滤液侵入油气层，特别是在高温高压环境下压溶作用导致渗透率下降的幅度更大。力学-化学耦合作用还弱化岩石结构面的连接，扩大裂缝宽度，使岩体强度急剧下降，导致发生诱发性井漏。研究岩石力学-水化学耦合作用对于保护储层、优化裂缝性油气藏具有重要的现实意义。     

油井套管损坏动力学机制研究

油井套管损坏是影响油田正常生产的难题之一。分析了油井套管损坏的地质环境,指出在塑性岩层、断层、地壳活动、地震活动及油层出砂等地质环境中易造成油井的套管损坏。套管动力学条件的改变是油井套管损坏的主要原因,构造动力学环境控制非构造动力学环境,非构造动力学环境变化对套管周围动力学环境的改变更为敏感,因此油井套管损坏主要是构造和非构造动力学环境、强度发生变化而造成的。     

储层岩石的2种应力敏感机制——应力敏感有利于驱油

储层岩石存在本体变形和结构变形2 种变形方式。储层岩石的应力敏感也存在本体变形应力敏感和结构变形应力敏感2 种应力敏感机制。根据该文的研究, 岩石的本体变形导致的应力敏感程度极弱, 生产过程中可以将其忽略; 而岩石的结构变形导致的应力敏感程度则极强, 它不仅不会降低油藏的产能, 反而会维持油藏的地层能量和提高油藏的产能, 十分有利于驱油。     

考虑气井生产影响的重复压裂裂缝重定向研究

生产引起的地层流体压力变化和原有的人工裂缝都将引起储层应力变化,其迭加结果共同决定了重复压裂裂缝方位。首先基于孔隙介质渗流的质量平衡、达西定律和状态方程建立了流体运动模型,并根据小变形弹性介质的应力平衡、应力-应变关系和应力-应变-压力方程,得到基于位移和孔隙压力控制的三维流固耦合数学模型和计算模型,从而得到孔隙压力变化引起的地应力变化;然后将压裂裂缝简化为平板中央的直线贯穿裂纹,根据弹性力学原理结合Fourier变换,导出了计算压裂裂缝在重复压裂时产生的诱导应力场模型;再结合最小主应力原理,确定重复压裂裂缝方位。计算结果表明：重复压裂井的确可能发生应力重新定向,并在距井轴一定距离处（应力各向同性点）应力再次重新定向,逐渐恢复到初始应力水平。重复压裂裂缝重新定向是完全可能的。     

流变性地层套管等效外挤力

为给流变性地层套管设计提供理论依据,讨论了3种套管等效外挤力模型,其一是现行标准中的模型,另外两个分别是黏弹性流体模型和黏弹性固体模型。利用具体实例对这3个模型的比较分析结果表明,现行标准和黏弹性流体等效外挤力模型计算结果偏小,而黏弹性固体等效外挤力模型与现场实际情况符合较好。     

φ88.90mm×6.45mm特殊螺纹接头接箍变形分析

对某井φ88.90mm×6.45mm特殊螺纹接头接箍变形原因进行了系统调查和失效分析。通过尺寸测量、力学性能试验和全尺寸实物试验,认为吊卡磨损引起接箍端面偏斜承载是导致事故的主要原因。该油管产品属于特殊产品,虽然也属于常用品种,但由于采用非API标准较小接箍设计,减小了接箍端面与吊卡的接触面积,不利于现场操作,是此次事故的次要原因。     

高压注水对砂岩层段套管的影响

通过对高压注水时砂岩的垂向形变特征和拉应力作用下套管强度性能的理论研究和计算,得出了高压注水对砂岩层段套管损坏的机理。以大庆榆树林油田砂岩段的套损情况为例,计算了注水压力、套管应力及套管强度之间的关系。     

滤饼质量对井壁周围应力和井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔隙压力改变,这样就使通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井壁周围应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井壁附近地层的孔隙压力,定量地分析了滤饼质量对井周地层径向应力、切向应力、轴向应力和剪应力的影响。结果表明:一方面随着滤饼质量的提高,井筒内钻井液液柱压力对井壁地层的支撑作用逐渐增强,井壁地层抗剪切垮塌的能力相应提高,井壁稳定性变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

利用套管变形量进行地应力反演

地应力是石油工程设计与施工所需要的重要参数之一。通常获取地应力大小的方式是通过水压致裂法直接测量、室内试验以及测井资料计算得到,但水压致裂法和室内试验法获取地应力的成本较高,根据测井资料计算地应力需要根据经验校正。而油田具有丰富的套管变形资料,因此,可以利用套管变形量进行反演获取地应力。利用已知的套管变形量作为基础条件,构造符合套管在井下的边界椭圆应力模式,选择测点计算最大变形量与测量最大变形量差值的平方为目标优化函数,采用合理的优化技术对位移进行反分析来获取最大和最小地应力。利用该方法对新疆某油田的A井进行了分析,结果表明,采用该方法能快速有效地计算出套管变形条件下的实际非均匀载荷大小,且计算结果与利用测井资料计算出的结果相差不大,可为合理设计套管柱、减少套管损坏提供依据,为油田获取地应力提供一种新的途径。